1、土 木 建 筑 與 環(huán) 境 工 程Jour nal of Civil, Architectural & Enviro nmental Eng ineering第 33 卷第 4 期2011 年 8 月V ol133 N o14 A ug1 2011鋼管混凝土柱- 鋼梁外環(huán)板節(jié)點抗彎承載力計算方法 王文達a, b , 秦庚b , 張鵬鵬a, b( 蘭州理工大學 a. 甘肅省土木工程防災減災重點實驗室; b1土木工程學院, 蘭州 730050)摘 要: 基于ABAQUS 軟件建立了鋼管混凝土柱- 鋼梁環(huán)板節(jié)點的三維有限元數值模型, 通過已有試驗結果與數值計算結果的對比校驗了有限元模型的適用性?；?/p>

2、數值分析結果, 分析了此類節(jié)點的受力特性, 并利用有限元模型進行了參數分析, 探討了環(huán)板寬度、柱截面含鋼率、鋼梁極限彎矩、鋼管強度、鋼梁材料強度、混凝土強度、柱軸壓比、梁柱線剛度比等參數對此類節(jié)點抗彎承載力的影響規(guī)律。在參數分析的基礎上建議了此類節(jié)點的抗彎承載力簡化計算公式, 簡化計算結果與有限元計算結果總體上吻合良好。 關鍵詞: 鋼管混凝土; 鋼梁; 環(huán)板節(jié)點; 數值模擬; 抗彎承載力中圖分類號: TU 398文獻標志碼: A文章編號: 1674- 4764( 2011) 04- 0029- 06Design Approach on Flexural Load-carrying Capaci

3、ty of Steel Beam to CFST Column Joints with External Stiffening RingWANG Wen-da a , b , QIN Geng b , ZHANG Peng-peng a , b( a1K ey L abo rato ry of Disaster Pr ev ent ion and M it igat ion in Civil Engineer ing of G ansu Pr ovince;b1 Co llege of Civil Eng ineering , L anzhou U niversity o f T echno

4、logy, L anzho u 730050, P. R. China)Abstract: A 3- D f inite element m odel is established by ABAQU S to sim ulate the behavior of the jo ints w it h concret e-filled steel tubular ( CFST) co lum n to steel beam using ex ternal stiffening ring. T he load versus deform at ion cur ves o f this type of

5、 joints are com pared betw een theoretical and ex perim ental results, and in g ood agr eement. Parametric analy sis is per for med to study the f lex ural load- carrying capacity of the joint. T he width of external st if fening ring , the steel ratio o f CFST column, the ultim ate st reng th of st

6、eel beam , the st rength o f steel tube and beam, the concrete st reng th, the ax ial load ratio, and the beam to column linear stif fness ratio are co nsidered as parameters. T he simplified practical design approach is pro posed based on param eter analy sis o f the flex ur al load- carry ing capa

7、city of these jo ints. T he practical calculated values are in good ag reement w ith the FEM results.Key words: concrete filled steel tube ( CFST ) ; steel beam; jo int w ith stiffening ring; num er ical sim ulation;f lexural lo ad- carrying capacity載力的計算暫沒有規(guī)定, 規(guī)程 2 也僅提供了帶內隔板的矩形鋼管混凝土柱與鋼梁剛性焊接節(jié)點抗彎及抗剪承

8、載力驗算公式, 而對于工程中廣泛應用的外環(huán)板節(jié)點則沒有給出相關公式。國內外研究者對此類節(jié)點的力學性能已進行了相關的試驗及理論研究, 例如 Thom ann 等 4 、Shin 等 5 、Cheng 等 6 、Li鋼管混凝土柱- 鋼梁外加強環(huán)板式節(jié)點在多高層鋼管混凝土框架結構中應用越來越廣, 該類節(jié)點具有傳力明確、剛度大、塑性性能好、承載力高等優(yōu) 點 1 。5矩形鋼管混凝土結構技術規(guī)程6 2 和5鋼管混凝土結構技術規(guī)程6 3 中對于該類節(jié)點的設計有相關條文, 但多限于環(huán)板尺寸的計算, 而對其抗彎承 收稿日期: 2011- 01- 08基金項目: 甘肅省高?；究蒲袠I(yè)務費專項( 0904ZT B1

9、47)作者簡介: 王文達( 1976- ) , 男, 博士, 教授, 主要從事鋼與混凝土組合結構及鋼結構研究, ( Email) w ang wd lut1 cn。 土 木 建 筑 與 環(huán) 境 工 程30第 33 卷等 7 、Choi 等 8 、Wang 等 9 、王 文達等 10 、陳娟擬中。 混凝土受拉軟化性能基于能量破壞準則 1 , 通過斷裂能與應變的關系表達式實現, 其中混凝土受 等 11 、等 12 等。上述研究主要集中在環(huán)板節(jié)點整體的剛度及抗震性能方面, 對節(jié)點核心區(qū)的力學性能及其抗彎及抗剪承載力的研究并不多見。節(jié) 點設計一般需滿足/ 強柱弱梁、節(jié)點更強0的原則, 框架結構可能出現

10、的屈服機制有梁端塑性鉸模式、柱 端塑性鉸模式及節(jié)點核心區(qū)塑性鉸模式, 為滿足框架結構在各種作用下的合理屈服機制和破壞模式, 必須避免會造成嚴重后果的節(jié)點屈服模式, 節(jié)點更應滿足/ 強節(jié)點強錨固0的要求。節(jié)點的抗彎及抗剪承載力計算方法是進行節(jié)點承載力驗算的依據, 例如為保證滿足/ 強節(jié)點0的設計要求, 現行抗震設計規(guī)范中規(guī)定了鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點核心區(qū)的承 載力驗算方法。相比較而言, 目前對鋼管混凝土柱- 鋼梁節(jié)點的抗彎及抗剪承載力設計計算公式的研究 很少, 相關規(guī)范中也沒有具體條文, 因此難以準確地評估節(jié)點核心區(qū)的承載力, 也對合理預測鋼管混凝土框架結構的屈服機制造成一定困難。 基于有限元軟

11、件 ABAQU S 建立了鋼管混凝土柱- 鋼梁環(huán)板節(jié)點的三維有限元數值模擬模型, 并用已有試驗結果校驗了理論模型。通過對典型試件的 受力特性進行分析, 探討了各主要參數對此類節(jié)點抗彎承載力的影響規(guī)律, 并在數值回歸的基礎上建議了此類節(jié)點抗彎承載力的簡化計算公式。 01 26( 11 25f cc ) 2/ 3 , 其中 f cc 為混 拉峰值應力為 Rp =凝土圓柱體抗壓強度, 單位為N / mm2 。 合理的單元類型是準確模擬的關鍵。建模時鋼 管和鋼梁采用四節(jié)點完全積分格式的殼單元, 厚度方向采用 9 點 Sim pson 積分以滿足一定的計算精度。核心混凝土采用八節(jié)點三維實體單元。網格劃

12、分時進行網格試驗對比, 在保證計算精度要求的前提下選擇 1 個合理的網格劃分密度, 以尋求計算精度和效率之間的合理匹配。 鋼管混凝土柱建模時需考慮鋼管與混凝土之間 的相互作用, 建模時通過接觸模型來實現, 兩者界面法向定義為硬接觸, 切向考慮粘結滑移, 且切向力模擬采用庫侖摩擦模型 1 。 邊界條件的施加應盡可能模擬試驗的支座條件, 故在鋼管混凝土柱底部的端板底面中線上, 約束其 3 個方向的平動自由度, 以模擬柱底部的平面鉸支座邊界。在柱頂端施加 y 方向的平面外平動約束, 在梁端約束豎向和平面外方向線位移, 放松 x 方向的位移 14 。節(jié)點典型的有限元模型網格劃分及 邊界條件如圖 1 所

13、示。 1節(jié)點有限元數值模型11 1 有限元模型的建立所研究的節(jié)點試件中, 鋼梁及鋼管滿足ABAQUS 中的彈塑性材料本構模型, 鋼材滿足Von-M ises 屈服準則和相關流動法則。其中低碳軟鋼的應力- 應變關系采用二次塑流模型, 高強鋼材的應力- 應變關系采用線性強化模型, 其應力- 應變關系表達式可參考文獻 1 。 鋼管中核心混凝土采用ABAQUS 中的塑性損傷模型 13 , 該模型基于非相關流動法則。其單軸受壓應力- 應變關系采用韓林海等 1 給出的相應表達 式如下:圖 1 典型節(jié)點有限元模型及邊界條件加載時, 先在柱頂施加軸力, 當施加至預定軸力穩(wěn)定后, 對于柱端加載節(jié)點試件, 在柱端

14、一側施加水平方向的荷載或位移; 對于梁端加載試件, 在梁端施加豎向荷載或位移。文中非線性方程采用New to n- Raphson 迭代方法求解, 以獲取其荷載- 位移全過程曲線。 112有限元模型的驗證文獻 14 中進行了大量鋼管混凝土柱- 鋼梁環(huán)板節(jié)點試件的算例對比, 表明有限元計算結果與有關研究者完成的環(huán)板節(jié)點試驗值總體吻合良好, 驗 x 22 x -( x 1)( x 1)y =( 1) xB0 ( x - 1)G+ xE/ E0 , y= R/ R0 , E和R 分別為混凝土受壓應 式中: x =變和應力, E0 和 R0 分別為混凝土受壓時峰值應變和峰值應力, 其余參數含義及表達式

15、可參見文獻 1 。該模型可合理地反映鋼管對核心混凝土的被動約束作用,已成功應用于鋼管混凝土結構的大量理論模 王文達, 等: 鋼管混凝土柱-鋼梁外環(huán)板節(jié)點抗彎承載力計算方法第 4 期31證了本文有限元模型及材料模型等的正確性。圖 2 給出了采用本數值模擬模型計算得到的文獻 10 - 12 中部分環(huán)板節(jié)點試驗試件分別在柱端加載和梁端加載情況下的數值計算荷載- 位移曲線與試驗結果的比較, 可見總體上二者吻合良好。圖 2( a) 中試件 SJ- 21 理論計算曲線的后期沒有下降, 主要原因是數值模型中沒有考慮鋼梁的初始缺陷且鋼材材性 為二次塑流模型, 因此理論計算中鋼材在后期處于強化階段, 從而造成其

16、后期承載力一直上升, 而試驗中加載后期由于鋼梁會出現局部屈曲, 其后期承載 力會下降。 節(jié)點核心區(qū)并未出現破壞, 可見該類節(jié)點的節(jié)點域的抗彎及抗剪承載力均能滿足要求。 選取文 10 中 SJ- 21 和 S-J 23- 2 試件試驗后的 破壞模式進行對比分析。圖 3 所示的照片為試驗結束后剖開節(jié)點域鋼管后混凝土的狀態(tài), 可見節(jié)點域混凝土并未出現裂縫, 節(jié)點域混凝土具有足夠的抗 彎及抗剪承載力。 圖 3 典型節(jié)點的節(jié)點域混凝土狀態(tài)對比為進一步了解圖 3 所示節(jié)點試件在受力全過程中節(jié)點域混凝土的受力特性, 利用前述有限元模型分別對這 2 個節(jié)點試件進行了數值模擬, 并進行了微觀受力特性分析, 理論

17、計算得到的試件達到極限承載力時節(jié)點域混凝土應力狀態(tài)也一并在圖 3 中給出。由圖 3 節(jié)點域混凝土的應力云圖可見, 核心區(qū)混凝土的應力數值較小, 小于其混凝土的極限抗拉強度, 故混凝土并未出現裂縫和破壞, 這和試驗現象一致?？梢? 文獻 10 中的節(jié)點試件在發(fā)生破壞時, 核心區(qū)抗彎及抗剪承載力滿足要求, 節(jié)點核心區(qū)不 會出現破壞。 2各參數對節(jié)點抗彎承載力的影響盡管文獻 10 中完成的節(jié)點試驗表明, 按照目前規(guī)范設計的此類節(jié)點其核心區(qū)并未出現破壞, 但為了獲取此類節(jié)點的抗彎承載力, 應提供其設計公式以供驗算。為獲得環(huán)板式節(jié)點抗彎承載力的計算 方法, 首先需要對影響節(jié)點抗彎承載力的主要因素進行參數

18、分析, 獲得各主要參數對節(jié)點抗彎承載力的影響規(guī)律, 并進一步進行參數分析, 最終提供其設計公式。 首先對柱端施加水平荷載的節(jié)點進行研究, 即選取有側移框架的中節(jié)點進行分析, 且要求其破壞圖 2試驗值與有限元計算值比較11 3 節(jié)點受力及破壞特性分析王文達等 10 進行了方鋼管混凝土柱- 鋼梁環(huán)板式節(jié)點的滯回性能試驗研究, 考察了不同環(huán)板寬度和柱軸壓比的節(jié)點試件的力學性能和破壞特點, 試驗結果表明, 該文中節(jié)點的最終破壞模式分別為梁 端塑性鉸破壞或環(huán)板破壞( 環(huán)板尺寸最小的試件) ,土 木 建 筑 與 環(huán) 境 工 程32第 33 卷梁采用Q345 鋼材, 截面 H 400 200 8 10 mm

19、 ,跨度 L = 616 m。軸壓比取 014( 軸壓比暫定義為 n= N 0 / N u , N 0 為柱頂軸力, N u 為柱軸壓承載力, 由DBJ13- 51- 2003 3 確定) 。 分析結果表明, 圓、方鋼管混凝土柱- 環(huán)板節(jié)點的彎矩- 轉角關系曲線變化規(guī)律基本相似, 下面只給出方鋼管混凝土柱-環(huán)板節(jié)點的參數分析結果。 211環(huán)板寬度的影響圖 4( a) 給出了不同環(huán)板寬度 b 時的環(huán)板節(jié)點彎矩- 轉角( M-H) 關系曲線。分析時環(huán)板寬度從 60 m m 到 180 m m 變化。由圖可見: 隨著環(huán)板寬度增大, 節(jié)點抗彎承載力增大, 但當環(huán)板寬度增大到一定程度后抗彎承載力增加的幅

20、度趨于緩慢, 而初始剛度總 體上隨環(huán)板寬度的增大變化并不顯著。 模式為梁破壞, 即為強柱弱梁節(jié)點。參數分析時, 節(jié)點的極限抗彎承載力暫取節(jié)點水平極限荷載 Pmax 對應的節(jié)點彎矩, 而節(jié)點的初始剛度則參考韓林海等 1 暫取節(jié)點彎矩- 轉角關系曲線中 01 2 M u, j所對應的割線剛度。定義節(jié)點轉角為節(jié)點屈服前后梁柱的 夾角變化, 具體確定方法同文獻 1 。 影響鋼管混凝土柱- 鋼梁環(huán)板節(jié)點彎矩- 轉角關系曲線的因素可能有: 環(huán)板寬度、鋼梁極限彎矩、柱截面含鋼率、鋼管強度、鋼梁鋼材強度、核心混凝土強度、軸壓比、梁柱線剛度比等。參數分析時選用的典型構件基本信息如下: 鋼管混凝土柱截面 D( B

21、 ) t= 400 913 mm , 含鋼率 A= 011( 含鋼率定義為A= A s / A c, 其中 A s 和 A c 分別為鋼管和核心混凝土面積) 。Q345 鋼材, C60 混凝土, 柱高 H = 31 3 m; 鋼 圖 4 各主要參數對方鋼管混凝土柱- 環(huán)板節(jié)點彎矩- 轉角( M-H) 關系的影響王文達, 等: 鋼管混凝土柱-鋼梁外環(huán)板節(jié)點抗彎承載力計算方法第 4 期3321 2 鋼梁極限彎矩圖 4( b) 給出了不同鋼梁極限彎矩 M bu 時的節(jié)點彎矩- 轉角( M-H) 關系曲線, 其中鋼梁極限彎矩單位為kN # m。由圖可見, 隨著鋼梁極限彎矩的增大, 節(jié)點的承載力和初始剛

22、度均有明顯的增大趨勢。需 要注意的是, 在對鋼梁極限彎矩變化中, 試件仍滿足 / 強柱弱梁0要求。 21 3 柱截面含鋼率圖 4( c) 給出了不同含鋼率 A時的節(jié)點彎矩- 轉角( M-H) 關系曲線。由圖可見, 總體上柱截面含鋼率對節(jié)點的抗彎承載力和初始剛度有一定影響, 隨著柱截面含鋼率的增大, 節(jié)點抗彎承載力和初始剛度相應增大。 21 4 鋼管強度圖 4( d) 給出了不同鋼管強度下的節(jié)點彎矩- 轉角( M-H) 關系曲線?？梢婁摴軓姸葘?jié)點彎矩- 轉角關系影響不大, 隨著鋼管強度的增大, 節(jié)點抗彎承載力和節(jié)點初始剛度增大趨勢不明顯。鋼管強度之所 以對節(jié)點彎矩- 轉角關系影響不大, 主要是

23、由于該文分析的是強柱弱梁節(jié)點, 節(jié)點的抗彎承載力主要是由鋼梁控制。 21 5 鋼梁強度圖 4( e) 給出了鋼梁強度不同時的節(jié)點彎矩- 轉角( M-H) 關系曲線。可見鋼梁強度對節(jié)點彎矩- 轉角關系有顯著影響, 隨著鋼梁強度的增大, 節(jié)點抗彎承載力有明顯增大, 但對節(jié)點初始剛度影響不明顯, 主要原因是鋼梁材料強度增加對其剛度并無影響。 21 6 混凝土強度圖 4( f) 給出了在不同混凝土強度時的節(jié)點彎矩- 轉角( M-H) 關系曲線?？梢婋S著柱核心混凝土強度的提高對節(jié)點抗彎承載力和初始剛度的影響并不 明顯。 21 7 柱軸壓比圖 4( g) 給出了不同柱軸壓比時節(jié)點彎矩- 轉角( M-H)

24、關系曲線, 分析時暫取軸壓比從 01 4 到 01 8 變化?？梢? 改變軸壓比對節(jié)點的抗彎承載力影響較小, 但隨著軸壓比的增大, 節(jié)點承載力的下降段出現的越早, 節(jié)點延性下降。節(jié)點初始剛度隨軸壓比的增大變化也不明顯。 21 8 梁柱線剛度比圖 4( h) 給出了不同梁柱線剛度比時的節(jié)點彎矩- 轉角( M-H) 關系曲線, 分析時梁柱線剛度比從01 15 至 01 4 變化。可見隨著梁柱線剛度比的增大,節(jié)點的抗彎承載力和初始剛度都有明顯提高。 3節(jié)點抗彎承載力計算探討通過上述的參數分析結果可見, 對于所研究的有側移的鋼管混凝土柱- 鋼梁環(huán)板節(jié)點, 影響其抗彎承載力的主要因素有: 環(huán)板寬度、鋼梁

25、極限彎矩、柱截面含鋼率、鋼梁鋼材強度、梁柱線剛度比。根據以 上參數分析結果, 對節(jié)點抗彎承載力 Mjy 進行回歸分析, 可得到此類節(jié)點的抗彎承載力計算公式如下:Mjy = R f ( b) f ( Mbu ) f ( f by ) f ( A) f( k)( 2)式中: R 為系數, 對于圓形柱- 鋼梁節(jié)點為 71 12 10- 5 , 方形柱- 鋼梁節(jié)點為 51 37 10- 5 , f ( b ) 、f( Mbu ) 、f ( f by ) 、f ( A) 、f ( k) 分別為 Mjy 與環(huán)板寬度 b、鋼梁塑性彎矩 Mbu 、鋼梁強度 f by 、柱截面含鋼率 A、梁柱線剛度比 k 的關

26、系表達式。 公式( 2) 中的各參數表達式, 對于方鋼管混凝土 柱-鋼梁節(jié)點如下:f ( b) = b01078f (M bu) = 0101M2 M bu- 5113Mbu - 5 277( 3- 1)( 3- 2)( 3- 3)( 3- 4)( 3- 5)f ( f by ) = f by + 111 78f ( A)= a2 - 018a- 015f ( k ) = k + 01 53對于圓鋼管混凝土柱- 鋼梁節(jié)點如下:f ( b) = b+ 1 0301 95( 4- 1)( 4- 2)( 4- 3)( 4-4)( 4- 5)01 6335f ( M bu ) =f ( f by )

27、= f by + 12f ( A)= A+2 01 1A+01 332k01 2923f ( k ) =式( 2) 中, Mjy 為節(jié)點抗彎承載力, kN # m; b 為環(huán)板寬度, mm ; Mb 為鋼梁極限彎矩, kN # m ; f by 為鋼梁鋼材的強度, N/ mm2 ; A為柱截面含鋼率, k 為梁柱線剛度比。此公式適用于柱鋼管強度在 Q235 Q420 之間、混凝土強度等級在 C40 C80 之間、柱截面含鋼率在 01 1 01 2 之間、鋼梁極限彎矩在 600 1 300 k # N m 之間、梁柱線剛度比在 01 15 01 4 之間的圓形和方形鋼管混凝土柱- 鋼梁外加強環(huán)板

28、節(jié)點。 為驗證該文建議公式的準確性, 對節(jié)點抗彎承載力的簡化計算值與有限元計算值及有關試驗結果 進行了比較, 部分結果如圖 5 所示, 其中 Mu, cal 和Mu, FEM 分別為按本文簡化公式( 2) 計算和有限元計算的數值。為便于和 Mu, cal 結果比較, 文獻 10 中的節(jié)點試驗結果也列于圖 5 中, 其數值列于橫軸數值( 即M u, FEM ) 中?？梢娍傮w上簡化公式和有限元計算 土 木 建 筑 與 環(huán) 境 工 程34第 33 卷L A P- L OI1 Seismic behavior of steel beams and CFT column moment- resistin

29、g connections w ith flo or slabs J . Jo ur na l of Constructional Steel Resear ch, 2007, 63 ( 11) : 1479- 14931L I X, XI AO Y, WU Y T1 Seismic behavio r o f ex ter iorconnections w ith steel beams bo lted to CFT columns J . Jo ur na l of Constructional Steel Resear ch, 2009, 65 ( 7) : 1438-14461CH O

30、I SUN G- MO , L EE SEONG- HU I, HON G SUN G-DUK , et al. Structural capacities of t ensio n side fo r CFT square co lumn- to- beam connections w ith combined- cr oss diaphr agm J . A dv ances in Structural Eng ineer ing, 2008, 11( 2) : 209- 2271W AN G WEN- DA , H A N L IN- H A I, U Y BR IA N.Ex per

31、imental behavior of steel reduced beam sect ion ( R BS) to concrete- filled CH S co lumn co nnections J . Journal o f Constructional Steel R esear ch, 2008, 64( 5) :493- 5041結果吻合良好, 且與試驗結果也具有良好的一致性, 表明該文提出的節(jié)點抗彎承載力的簡化計算公式有 較好的精確性。 7 8 9 圖5 節(jié)點抗彎承載力的簡化計算與有限元計算及試驗結果比較4結論基于該文的研究, 有以下初步的結論:1) A BAQU S 軟件可

32、較好地模擬鋼管混凝土 10 王文達, 韓林海, 游經團. 方鋼管混凝土柱- 鋼梁外加強環(huán)節(jié)點滯回性能的實驗研究 J . 土木工程學報, 2006,39( 9) : 17- 25.WA NG WEN- DA , H AN L IN- HA I, YOU JING- T U AN.Ex per imental studies on hy st eretic behavio r s of steel beam to co ncr ete- filled SH S column connectio ns w ith stiffening r ing J . China Civil Engineerin

33、g Journal, 2006, 39( 9) : 17- 25. 11 陳娟, 王湛, 袁繼雄. 加強環(huán)式鋼管混凝土柱- 鋼梁節(jié)點的剛性研究 J . 建筑結構學報, 2004, 25( 4) : 43- 54.CHEN JU AN, WANG ZHAN, YAU N JI-XIONG. Researchon the stiffness of concrete- filled steel tubular column and steel beam jo int with stiffening r ing J . Jour nal o fBuilding Structures, 2004, 25( 4) : 43- 541柱- 鋼梁加強環(huán)板節(jié)點的力學性能, 理論結果與試驗值吻合良好。 2) 對于該文所研究的環(huán)板式節(jié)點, 環(huán)板寬度、鋼梁極限彎矩、柱截面含鋼率、鋼梁強度、梁柱線剛 度比是影響節(jié)點抗彎承載力的主要因素。 3) 通過數值回歸建議了有側移框架中的鋼管混 凝土柱- 鋼梁外加強環(huán)板節(jié)點的抗彎承載力簡化計算公式, 簡化公式結果與有限元計算結果吻合良好。 參考文獻: 1 韓林海, 陶忠, 王文達. 現代組